Das Atmungssystem

Das menschliche Atmungssystem besteht aus einer Reihe von Organen, die für die Aufnahme von Sauerstoff und Abgabe von Kohlendioxid verantwortlich sind. Das primäre Organ des Atmungssystems ist die Lunge, die diesen Austausch von Gasen während der Atmung durchführt. Die Zusammensetzung der Luft enthält etwa 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff, ca. 0,038 % Kohlenstoffdioxid sowie andere Spurengase. Während Sauerstoff unverzichtbar für die Funktion der Körperzellen ist, entsteht Kohlendioxid bei der Atmung als Abfallprodukt.

Als äußere Atmung wird der Gasaustausch bezeichnet, der in der Lunge stattfindet. Die roten Blutzellen sammeln den Sauerstoff aus der Lunge und tragen ihn zu den Körperteilen, wo er gebraucht wird. Während dieses Prozesses sammeln die roten Blutkörperchen das Kohlendioxid und transportieren es zurück in die Lunge, wo es den Körper beim Ausatmen verlässt. Der Vorgang, bei dem der Sauerstoff verbraucht wird, wird „innere Atmung“ genannt. Hierbei werden die bei der Atmung aufgenommenen Nährstoffe in den Körperzellen in ATP (Adenosintriphosphat) umgewandelt. Die dabei gespeicherte Energie kann frei genutzt werden.

Der menschliche Körper braucht Sauerstoff, um zu funktionieren. Da Sauerstoff, im Gegensatz zu anderen Stoffen, nicht im Körper gespeichert werden kann, muss die Atemtätigkeit ununterbrochen erfolgen. Eine Abnahme des Sauerstoffgehalts wird als Hypoxie bezeichnet, ein vollständiger Mangel an Sauerstoff ist als Anoxie bekannt. Diese Erscheinungen können tödliche Folgen haben. Nach ca. vier Minuten ohne Sauerstoff beginnen die Gehirnzellen abzusterben, was zu Hirnschäden und schließlich zum Tod führen kann.

Zahlen zum Atmungssystem:

• Beim Menschen ist die durchschnittliche Atmungsrate vom Alter abhängig. Ein Neugeborenes atmet normalerweise etwa 40-mal pro Minute ein und aus.
• Diese Rate kann sich auf 20- bis 40-mal pro Minute verlangsamen, wenn das Baby schläft.
• Die durchschnittliche Ruheatemfrequenz liegt für Erwachsene bei 12 bis 16 Atemzügen pro Minute.
• Körperliche Anstrengung wirkt sich auf die Atmungsrate aus, weshalb auch gesunde Erwachsene bei anstrengender Aktivität auf durchschnittlich 45 Atemzüge pro Minute kommen können.
• So kommt es dazu, dass der Mensch durchschnittlich 13.000 Liter Luft ein- und ausatmet, wobei er über 25.000 Atemzüge ausführt.

Teile des Atmungssystems

Das Atmungssystem wird in zwei Teilbereiche unterteilt: Einerseits die oberen Lungenwege, die auch Respirationstrakt genannt werden. Sie umfassen Nase, Nasennebenhöhlen und den Rachenraum. Die unteren Luftwege, auch unterer Respirationstrakt, bestehen aus Luftröhre, Kehlkopf, Bronchien und Lunge.

Bei der Atmung gelangt Sauerstoff in die Nase oder den Mund und durch die Fisteln, die die Hohlräume im Schädel sind. Fisteln helfen, die Temperatur und die Feuchtigkeit der Luft beim Atmen zu regulieren. Die Nasenhöhle wird durch die Nasenscheidewand in zwei Höhlen unterteilt, die außen durch die Nasenflügel begrenzt werden. Die Nasenmuscheln vergrößern die Oberfläche, damit die Luft durch die engen Gänge gelangen kann. Das Innere der Nase ist mit einer rötlichen Nasenschleimhaut überzogen, die mit Härchen besetzt ist und durch die Schleimdrüsen feucht gehalten wird. Gröbere Verunreinigungen werden im vorderen Teil durch die Nasenhaare ferngehalten.

Luft, Nahrung und Flüssigkeit werden gleichermaßen über den Rachen (Pharynx) transportiert. Der etwa 13 cm lange Schlauch ist muskulös gebaut und führt vom hinteren Teil des Mundes und der Nase über den Hals bis zum Kehlkopf und schließlich zur Luftröhre. Im Rachen kreuzen sich die Wege von Luft und Nahrung. Durch den Kehlkopf werden Atemwege und Speisewege schließlich voneinander getrennt. Während der obere Teil des Rachens mit den Schädelbasisknochen fest verbunden ist, fügt sich der untere Teil an die Luftröhre und die Kehlkopfknorpel an.

Die Luftröhre, auch Trachea genannt, filtert die Luft, die eingeatmet wird. Sie ist etwa 12 cm lang und 2 cm breit und schließt an den Kehlkopf an. Sie mündet in die Bronchien, wobei es sich um zwei Rohre handelt, die Luft in jeden der beiden Lungenflügel führen. Die Bronchien sind gesäumt mit winzigen Härchen, die Zilien genannt werden. Die äußersten weisen eine Breite von nur 0,5 mm auf. Wenn sich die Zilien hin- und herbewegen, befördern sie den Schleim nach oben und hinaus. Der Schleim, eine klebrige Flüssigkeit, sammelt Staub, Keime und andere Stoffe, die in die Lunge eingedrungen sind. Durch Niesen, Husten, Spucken oder Schlucken sondert der Mensch den Schleim ab. Die Lungenbläschen weisen kein Flimmerepithel auf. Gelangt Staub hierher, wird er von weißen Blutkörperchen aufgenommen und in der Lunge abgelagert. Die Luftröhre kann durch Muskeln an den offenen Enden etwas verengt werden, um sich vor ätzenden Gasen zu schützen.

Die Bronchien führen zu den Lungenlappen. Der rechte Lungenflügel hat drei Lappen, der linke Lungenflügel hat zwei. Linksseitig ist die Lunge kleiner, um Raum für das Herz zu lassen. Die Lappen sind mit kleinen, schwammigen Bläschen, den Alveolen, gefüllt. Dies sind die Orte, an denen der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid erfolgt. Die Lunge wird vom glatten Lungenfell bedeckt, die Brustwand vom Rippenfell, beide zusammen bilden das Brustfell. Damit die Membranen ohne Reibung gegeneinander gleiten können, ist zwischen ihnen eine Flüssigkeit eingelagert. Durch den Mittelfellraum werden die beiden Lungenflügel voneinander getrennt. Herz, Speiseröhre, Luftröhre, Lymphknoten und große Gefäße liegen im Mediastinum.

Die Alveolarwände sind extrem dünn (etwa 0,2 Mikrometer). Diese Wände bestehen aus einer einzigen Gewebeschicht, den Epithelzellen, und kleinen Blutgefäßen, die Lungenkapillaren genannt werden. Durch die Kapillaren fließt das Blut. Die Pulmonalarterie transportiert Blut, das Kohlendioxid enthält, in die Alveolen, wo das Gas sich vom Blut in die Luft bewegt. Das mit Sauerstoff angereicherte Blut gelangt durch die Lungenvenen bis zum Herzen und wird von dort aus in den ganzen Körper gepumpt.

Das Diaphragma (Zwerchfell), ein kuppelförmiger Muskel am unteren Rand der Lunge, steuert die Atmung und trennt die Brusthöhle von der Bauchhöhle. Wenn ein Atemzug getan wird, flacht es ab und zieht sich nach vorne, um mehr Platz für die Lunge zu machen. Während der Ausatmung dehnt sich das Diaphragma aus und presst die Luft nach draußen.

Die Atemwege und das Immunsystem

In fast allen Geweben des menschlichen Körpers befinden sich Immunzellen. Ihre Hauptaufgabe ist es, Krankheitserreger abzuwehren und so den Organismus zu schützen. Etwa zehn Jahre dauert es, bis das Immunsystem vollständig ausgebildet ist. Aus diesem Grund erkranken Kinder auch besonders häufig an Erkältungen, da das Abwehrsystem noch trainiert wird. Das Immunsystem wird vor allem dort beansprucht, wo der Körper in Kontakt mit der Außenwelt kommt. Dies gilt besonders für das Atmungssystem.

Die Tausenden täglichen Atemzüge gewähren zahlreichen Krankheitserregern, wie Bakterien, Viren oder Pilze, durch Nase und Mund Zutritt. Die Nasenhöhle und Bronchien verfügen daher über Schleimhäute, die mit Millionen feiner Flimmerhärchen bestückt sind. Schmutz und Krankheitserreger werden durch sie abgefangen und zurück Richtung Rachenraum befördert. Der Körper reagiert mit einem Hustenreiz, sobald dieser Transport nicht schnell genug funktioniert. Wenn es Krankheitserregern gelingt, diese erste Schutzbarriere zu durchbrechen, setzt das Immunsystem weitere Verteidigungsmechanismen ein. Vor allem in der klassischen Erkältungssaison oder während Grippewellen wird das Immunsystem im Bereich der Atemwege besonders gefordert.

Krankheiten des Atmungssystems

Krankheiten und Erscheinungen des Atmungssystems fallen in zwei Kategorien: Viren, wie Influenza, bakterielle Pneumonie und das neue Enterovirus, das bei Kindern diagnostiziert wird, einerseits; sowie chronische Krankheiten, wie Asthma und chronisch-obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) andererseits.

Eine COPD ist der Schnittpunkt von drei miteinander im Zusammenhang stehenden Syndromen – chronische Bronchitis, chronisches Asthma und das Emphysem. Es handelt sich um eine progressive Erkrankung, die im Laufe der Zeit die Atmung für die Betroffenen zusehends erschwert.

Asthma ist eine chronische Entzündung der Lungenatemwege, die Husten, Keuchen, Brustenge oder Atemnot verursacht. Diese Symptome können sich verschlimmern, wenn eine Person deren Auslösern ausgesetzt ist. Diese umfassen sowohl Luftverschmutzung, Tabakrauch, Fabrikdämpfe, Reinigungsmittel, Infektionen, Pollen, Nahrungsmittel als auch kalte Luft, Bewegung, Chemikalien und Medikamente.

Lungenkrebs wird oft mit dem Rauchen assoziiert, jedoch kann diese Krankheit auch Nichtraucher betreffen. Es handelt sich um eine der häufigsten Krebsarten, die, wie andere Arten auch, durch das unkontrollierte Wachstum anormaler Zellen verursacht wird. Menschen, die in Großstädten und Industriegebieten leben, in denen die Luftverschmutzung besonders hoch ist, erkranken überdurchschnittlich häufig.

Diagnose und Behandlung von Erkrankungen der Atemwege

Die Pneumologie, ein Teilgebiet der Inneren Medizin, befasst sich mit der Behandlung der Atemwege einschließlich der Lunge. Aufgrund der komplexen Natur des Atmungssystems arbeiten Pneumologen sowohl in der privaten Praxis als auch in Krankenhäusern.

Häufige Werkzeuge für die Diagnose von Erkrankungen der Atemwege sind Bruströntgenstrahlen und der Lungenfunktionstest (LuFu). Der LuFu misst, wie gut die Lunge Luft aufnimmt und abgibt und wie gut sie den Sauerstoff zirkulieren lässt. Der LuFu wird häufig als Teil einer Routine-Untersuchung durchgeführt, die vor allem für Raucher infrage kommt. Er eignet sich auch für das Diagnostizieren von Lungenkrankheiten oder das Testen der Lungenfunktion vor einer Operation.

Ein Arzt kann auch eine Bronchoskopie durchführen, indem er ein Rohr mit einem Licht und einer Kamera in die Atemwege – die Trachea und die Bronchien – einführt. Dadurch kann er nach möglichen Blutungen, Tumoren, Entzündungen oder anderen Anomalien suchen. Ein ähnliches Verfahren ist die Thorakoskopie, wobei der Arzt eine optische Vorrichtung verwendet, um die Oberfläche der Lunge zu untersuchen.

Meilensteine

Einige Meilensteine in der medizinischen Geschichte des Atmungssystems:

• 13. Jahrhundert: Der Anatom und Physiologe Ibn al-Nafis formuliert seine Theorie, dass das Blut durch die Lungenarterie, die Lunge und zurück in das Herz gelangen muss, um durch den gesamten Körper gepumpt zu werden. Es wird angenommen, dass dies die erste wissenschaftliche Beschreibung des Lungenkreislaufs ist.
• 1897: Gustav Killian verwendet ein starres Ösophagoskop, um einen Schweineknochen aus der Bronchie eines Bauern zu extrahieren.
• 1898: A. Coolidge führt die erste Bronchoskopie in den Vereinigten Staaten am Massachusetts General Hospital durch.
• 1907: In Philadelphia, USA, entwickelt und verbessert Chevalier Jackson die Instrumente für die Bronchoskopie und Ösophagoskopie.
• 1963: James Hardy von der Universität von Mississippi führt die erste menschliche Lungen-Transplantation durch. Der Patient lebt 18 Tage.
• 1964: Shigeto Ikeda entwickelt einen Prototyp dessen, was das erste flexible Bronchoskop wurde.
• 1983: Joel D. Cooper, ein Thoraxchirurg, führt die erste erfolgreiche Lungentransplantation in Toronto durch.
• 1986: Cooper führt die erste erfolgreiche Doppellungentransplantation durch.